Архив на категория: Физика

Целзий и неговата температурна скала 

Най-разпространената температурна скала – скалата на Целзий, е създадена през 1742 година. Ето кой е Андерс Целзий и защо я използваме и до днес. 

Отдаденият учен 

Anders Celsius е роден в Швеция през 1701 година. Като син на професор по астрономия, самият Андерс също изучава астрономия и след като завършва Университета в Упсала, остава да преподава там като професор. Изучава магнитното поле и формата на Земята, създава нов метод за определяне на разстоянието между Земята и Слънцето. Гради първата шведска обсерватория и е първият учен, който се занимава с яркостта на звездите, като дори създава начин да я измерва. Умира от туберкулоза през 1744 година. 

Температурна скала на Целзий 

Преди Anders Celsius да разработи своята скала, в научния свят има вече две – първата е на Оле Рьомер, а втората, на Даниел Фаренхайтна практика е подобрена нейна версия. И двете избират за нулев градус възможно най-ниската температура, която учените са могли да измерят по това време. Но Андерс решава друго. 

Той дълго време прави експерименти, които целят да разберат дали атмосферното налягане и географската ширина имат отношение към точката на замръзване и кипене на водата. Едва след като намира начин да получи тези две устойчиви температури, той ги използва, за да създаде своята скала и решава да постави 100 деления (градуси) между тях. 

Първоначално скалата на Целзий е обърната. За своя нулева температура той избира температурата, при която кипи чиста вода при атмосферно налягане на морско равнище. За 100 градуса той избира температурата, при която чистата вода замръзва при същите условияСлед смъртта му обаче скалата бива обърната по начина, който познаваме в момента.  

Дълги години скалата на Целзий се наричала сантиградна скала, но през 1948 година Обща конференция по мерки и теглилки променя името ѝ на това, което познаваме днес. 

През 70-те години на ХХ век налагането на стандартизирана измервателна система SI по света налага използването на скалата на Целзий по цял свят. Днес само няколко държави като САЩ, Белийз, Бахамите и Кайманските острови използват скалата на Фаренхайт. 

Преобразуване на температура 

Температурата според скалата на Целзий се измерва в градуси по Целзий и се означава с °С. Ето няколко начина да преобразувате температурите: 

От °C към Фаренхайт: Умножете показанията по 9, разделете полученото на 5, след което добавете 32. 

От Фаренхайт към °C: Извадете от показанията 32, след това умножете полученото по 5, след това разделете на 9. 

От °C към Келвин: От показанията извадете 273. 

От Келвин към °C: Към показанията добавете 273. 

Фаренхайт – как е създадена скалата

Най-използваните скали за измерване на температура днес са две: на Целзий и на Фаренхайт. Целзиевата скала е по-широко използвана, но в САЩ, Каймановите острови, Палау, Бахамите и Белийз до ден днешен най-популярната мерна единица за температура е градус по Фаренхайт.

Кой е Фаренхайт

Даниел Габриел Фаренхайт (Daniel Gabriel Fahrenheit), живял 1686-1736 год. е инженер, физик, изобретател и… стъклодухач. Роден е в немскоговоряща част на Полша, но прекарва по-голямата част от живота си в Холандия. През 1701 година остава сирак и се установява в Амстердам, където след време започва първите си проучвания и експерименти. През 1717 заживява в Хага, където е стъклодухач и прави термометри и барометри. Година по-късно започва да преподава химия в университета в Амстердам, а през 1724 е избран за член на Кралското общество. Умира от неизвестна болест в бедност.

Алкохолният и живачният термометър

В края на 17 век изследователят Оле Кристенсен Рьомер (Ole Christensen Rømer) създава алкохолен термометър, заедно с първата температурна скала. В нея най-ниската температура е 0 (при която замръзва солена вода) , а най-високата е 60 – тази, при която водата ври. По неговата скала на около 7,5 градуса замръзва чистата вода, а 22,5 е телесната температура.

По време на много си пътувания, свързани с интересите му, Фаренхайт се среща няколко пъти с Рьомер, преди да създаде своя уред. В крайна сметка през далечната 1714 година Daniel Fahrenheit изобретява първия модерен термометър – живачния. И досега той е сред най-надеждните и точни видове и това е причината да остава използван повече от два века, чак до появата на електронния.

Скалата на Фаренхайт

Когато осъзнава, че живачният термометър е по-прецизен от алкохолния, Фаренхайт решава да преработи скалата на Рьомер, като я направи с 4 пъти повече градуси. През 1924 година Daniel Fahrenheit публикува статия, в която предлага и обяснява своята температурна скала.

В началото той просто умножава по 4 скалата на Рьомер и се оказва, че точката на замръзване е 30, а на тялото – 90 градуса (7,5х4=30; 22,5х4=90).

След това калибрира отново. Слага за нулев градус най-ниската температура през зимата на 1708/1709 година – идеята му е да не се налага да се използват отрицателни стойности на скалата. Той успява да постигне отново тази температура, като смесва равни количества лед, вода и сол (амониев хлорид). Втората точка, която определя, е 32 градуса – това е температурата на равна смес вода и лед, тоест температурата на замръзването и.

За да е сигурен, че е наистина прецизен, той пъха термометъра под мишницата на съпругата си, за да получи точна телесна температура и я определя като 96. Това е третата му стабилна точка, а разликата между двете е 64 градуса, което му позволява да маркира по-лесно градусите на инструментите си. Според друга версия определя своя градус 100, като мери температурата на кон, тъй като се смята, че та е по-стабилна от тази на човешкото тяло.

Разбира се, топлината на тялото не е константа. По-късно Фаренхайт измерва и температурата на кипене на водата при стандартно налягане и на морското равнище и вижда, че тя е 212 градуса, точно 180 градуса над точката на замръзване. За да може разликата между точките на замръзване и кипене да стане точно 180 градуса, скалата на Фаренхайт бива преобразувана още веднъж. В резултат на това „нормалната” температура на тялото става 98 градуса.

Формули за преобразуване на Фаренхайт

Мерната единица за температура на Фаренхайт се нарича градус по Фаренхайт и се означава с °F.

Чисто практически можете да преобразувате градусите по Фаренхайт в други популярни скали по следния начин:

От °F към °C: извадете 32, след това умножете по 5, след това разделете на 9.

От Целзий към °F: Умножете по 9, разделете на 5, след което добавете 32.

От °F към Келвин: извадете 32, умножете по 5, разделете на 9, след което добавете 273,15.

От Келвин към °F: Извадете 273,15, умножете по 1,8, след което добавете 32.

Тъй като скалите на Фаренхайт и на Целзий се срещат при температура -40 градуса (тоест -40 OF = -40 OС), математическата формула може да изглежда и така:

От °F към Целзий: ((f + 40) ÷ 1.8) − 40 = c.

От Целзий към °F: ((c + 40) × 1.8) − 40 = f.

Тук f е стойността на измерената температура по Фаренхайт, а с – стойността на температурата по Целзий.

Тройната точка – термодинамичната хармония

В химията и физиката тройната точка е температура и налягане, при които съществуват в равновесие твърдата, течната и газообразната фази на определено вещество. Това е специфичен случай на термодинамично фазово равновесие.

В това състояние вещество може да бъде променено на лед, вода или пара, като се направят безкрайно малки промени в налягането и температурата. Терминът “тройна точка” е въведен от Джеймс Томсън през 1873 година.

Тройната точка за водата например е при 0.01 градуса по Целзий (273.1575 K; 0.0075 °C; 32.0135 °F) при налягане 611.657 Pa (6.11657 мбар; 0.00603659 атм.). Тя се използва като константа, използвана за определяне на други стойности на тройната точка, както и за единицата за температура на Келвин. Също така съответства на минималното налягане, при което може да съществува течна вода.

При налягане под тази точка (както в космическото пространство) твърдият лед при нагряване и при постоянно налягане се превръща директно във водна пара, в процес наречен сублимация. Над нея твърдият лед, когато се нагрява при постоянно налягане, първо се стопява до образуване на течна вода. След това се изпарява или кипи, за да се образуват пари при по-висока температура.

За повечето вещества тройната точка газ – течност – твърдо е също минималната температура, при която течността може да съществува. За водата обаче това не е вярно, защото точката на топене на обикновения лед намалява като функция на налягането.

При температури точно под тройната точка, компресията при постоянна температура превръща водната пара първо в твърда, а след това в течна. Това е така, защото водният лед има по-ниска плътност от течната вода, така че увеличаването на налягането води до втечняване.

Термодинамичното равновесие може да се постига при твърде различни температура и налягане при различните вещества. Например при златото тройната точка се постига при 1063 °C

Първи, втори и трети закон на Нютон – основа на класическата механика

Постановките в първи, втори и трети закон на Нютон се базират на по-ранни опити правени от Галилей и Аристотел.

През I век пр. н. е. великият Аристотел формулира теория за движението, която гласи, че ако един обект се движи, то той би продължил да се движи, само ако върху него е приложена сила. Тази теория звучи толкова правдоподобна, че властва над западния свят цели 18 века.

През XVII век обаче на научната сцена се появява друг гениален ум на име Исак Нютон. Интересен факт е, че той освен всичко друго е бил също и алхимик и богослов. Той има смелостта да се опълчи на хилядолетното господство на тази теория и да изложи нови закони, които обясняват далеч по-правдоподобно защо обектите се движат така, както го правят в действителност. Законите са три и са известни като законите на Нютон, или закони за движение на Нютон. Ето какво гласят те.

Първи закон на Нютон

Най-общо той гласи:

„Един обект в покой ще остане в покой, а един движещ се обект ще продължи да се движи равномерно и праволинейно дотогава, докато върху него не бъде приложена външна сила, която да го извади от това състояние.”

Математическият израз на този закон е:

 

 

Дефиницията разглежда два случая – в единия предметът е в покой, а в другия се движи, но и двата предмета продължават да правят това, което правят, докато не се сблъскат със сила, която да ги дебалансира. За да обясни това, Нютон всъщност доказва, че всеки обект притежава инерция, тоест всеки обект се съпротивлява на промяна в своето състояние на движение. Затова законът се нарича инерционен.

Втори закон на Нютон

Вторият закон на Нютон гласи:

„Сила, която действа на системата отвън, води до ускорение на системата. Ускорението на даден обект зависи от две променливи: силата, упражнена върху него, и неговата маса. Ускорението е правопопорционално на силата и обратнопропорционално на масата на обекта.”

Математическият израз на този закон е

F = m.a

Силата е векторна величина, тоест има не само големина, а и посока. За да се появи сила, е нужно да има взаимодействие между два обекта. В такъв случай всеки един от тях изпитва върху себе си определена сила, която го ускорява и променя скоростта, посоката или скоростта и посоката му. Когато взаимодействието престане, обектите също престават да изпитват силата.

Това означава, че в една затворена система, в която няма взаимодействие между обекти, не може да има и ускорение, тоест ускорението ще бъде винаги равно на нула, тоест обектът в нея ще продължи да прави това, което прави. Звучи познато, нали? Ето защо се смята, че първият закон на Нютон всъщност е частен случай на втория.

Трети закон на Нютон

Третият закон на Нютон отново е свързан със силите на взаимодействие:

„Всяко действие има еднакво по големина и обратно по сила противодействие.”

Математически този закон се изразява така:

 

 

 

На практика този закон означава, че във всяко взаимодействие има двойка сили, действащи върху двата обекта. Размерът им е еднакъв, но силите им са противоположни. С други думи, ако обект А упражнява сила върху обект Б, тогава обект Б упражнява същата сила върху обект А, но в противоположна посока.

История на килограма, или колко тежи един килограм

Всеки килограм, който е претеглен в последните 200 години, тежи точно колкото едно парче метал, пазено в специална институция във Франция. Ето защо и как се случва това.

Създаване на мерната единица

Към края на 18 век крал Луи XVI пожелал създаването на нова система мерни единици, за да се справи с измамите, които се извършвали при използването на тогавашните мерки и теглилки. Кралската комисия препоръчва десетична метрична система. Решава, че ще приеме мерна единица за тегло граве (gravet), като за 1 граве ще се смята масата на един литър чиста вода при температура 4°С.

След Великата френската революция новата република възприела идеята за метричната система, но малко я променила. Решили, че мерната единица за тегло ще се казва грам и ще е равен на теглото на 1 кубичен сантиметър вода при температура 4°С. Също така и килограм, равен на теглото на 1 кубичен дециметър вода при температура 4°С

С течение на времето обаче се оказало, че търговците и научните работници имали нужда от доста по-стабилен материален стандарт, който да служи за отправна точка на измерванията им. А грамът се оказал твърде малък (почти колкото грахово зърно), за да е удобен за използване. Затова се решило да бъде създаден материален модел на по-голяма мерна единица – килограм (1000 грама).

На 22 юни 1799 републиката приела новия материален еталон за тегло, създаден от платина и съхраняван в специална сграда. Той остава в сила почти 100 години.

През XIX век

На 20 май 1875 година 17 държави подписват Конвенция за мерните единици, за да установят международни прототипи за дължина и маса. Теглото на килограма остава същото като във Франция, но през 1889 година е изработен нов прототип. Той представлява цилиндър с височина и диаметър 39,17 мм, създаден от сплав от платина (90%) и иридий (10%). Наричат го Международен еталон за килограм, а копия от него са разпратени във всички страни, подписали конвенцията. Оригиналът се съхранява в Международното бюро за мерки и теглилки в Севър, Франция.

В съвремието

Днешните учени вече знаят, че с течение на времето теглото на еталона се променя, дори ако е съхраняват във възможно най-добри условия. Скорошна проверка показа, че килограмът натрупва около 50 микрограма повече за 100 години. Това е резултат от наслояването на замърсители по повърхността на цилиндъра.

Разбира се, еталонът се почиства по подходящ начин, но това не се прави едновременно във всички държави, които имат копия. Това означава, че в един и същи момент всяка страна има различна мярка за тегло.

Днес

На 16 ноември 2018 година във Версай се състоя 26-тата Генерална конференция по мерки и теглилки, в която участваха учени от цял свят. Те взеха решение да се откажат от физическия еталон на килограма, за да избегнат постоянното коригиране на прототипа. А и на практика килограмът е последната мерна единица, която използва физически артефакт.

Учените приеха нова дефиниция за 1 килограм, която е чисто математическа и се основава на секундата, метъра и законите на квантовата физика. Новата константа се определя чрез количеството енергия, нужна за преместване от място на предмет с тежест 1 кг. Базира се чрез константата на Планк, като 1 килограм е равен точно на 6,62607015х10-34 J.s. Новата стойност на мерната единица влиза в сила от 20 май 2019 година.